Une planète bien trop grosse pour être en orbite autour d’une si petite étoile
Une équipe d’astronomes a découvert un système planétaire inhabituel dans lequel une grande géante gazeuse est en orbite autour d’une petite étoile naine rouge, ce qui remet en question les idées reçues sur la formation des planètes.
L’exoplanète TOI-5205b est une géante gazeuse de la même taille et de la même masse que Jupiter, en orbite autour de la naine rouge TOI-5205. Mais il n’y a rien d’inhabituel à cela, les planètes orbitent la plupart du temps autour des étoiles.
Image d’entête : représentation artistique d’une grande planète géante gazeuse en orbite autour d’une petite étoile naine rouge appelée TOI-5205. (Katherine Cain/ Carnegie Institution for Science)
Ce qui est inhabituel, c’est la taille de TOI-5205 par rapport à l’exoplanète de la taille de Jupiter. Le rayon de l’étoile est à peine quatre fois plus grand que celui de sa planète, soit un peu moins de 40 % du rayon et de la masse du Soleil. De plus, l’orbite de TOI-5205b est inconfortablement proche, faisant le tour de la naine rouge une fois tous les 1,6 jours.
C’est l’une des premières fois qu’une exoplanète aussi grande est trouvée en orbite autour d’une naine rouge aussi minuscule, et les astronomes n’ont pas encore compris comment une paire aussi étrange a pu se former. Cela va à l’encontre de notre compréhension actuelle de la formation des planètes.
Selon l’astronome Shubham Kanodia de la Carnegie Institution for Science (États-Unis) :
L’étoile hôte, TOI-5205, fait à peine quatre fois la taille de Jupiter et pourtant elle a réussi à former une planète de la taille de Jupiter, ce qui est assez surprenant.
Les naines rouges sont les plus petites étoiles connues de la séquence principale. Plus elles sont petites, plus elles deviennent des naines brunes, des quasi-étoiles. Elles ont une masse, une luminosité et une chaleur peu élevées et brûlent leurs réserves d’hydrogène si lentement que leur durée de vie peut atteindre des trillions d’années, bien plus que l’âge actuel de l’Univers, qui est de 13,8 milliards d’années.
Parce qu’elles sont si petites et si peu lumineuses, les naines rouges ne peuvent être vues à l’œil nu, pourtant, ce sont les plus nombreuses étoiles de la Voie lactée. Cependant, sur les 5 250 exoplanètes confirmées à l’heure actuelle, 240 seulement sont en orbite autour d’étoiles naines rouges, dont une douzaine seulement sont de la taille de Jupiter ou plus.
Ce que nous savons de la formation des planètes suggère que de tels couples étoile-exoplanète sont peu probables. Les étoiles se forment à partir d’amas dans des nuages denses de gaz et de poussière. Au fur et à mesure de leur croissance, la matière qui les entoure se fusionne en un disque qui alimente la jeune étoile, un peu comme l’eau qui tourbillonne dans une canalisation. Une fois que l’étoile est suffisamment massive, elle émet des vents puissants qui emportent la matière la plus proche, interrompant ainsi la croissance de l’étoile.
Ce qui reste dans ce disque forme alors des objets qui orbitent autour de l’étoile, s’agglutinent et se transforment progressivement en planètes. Pour former une géante gazeuse, les modèles actuels suggèrent qu’il faut environ 10 masses terrestres de matière rocheuse du disque pour former le noyau planétaire, qui accumule ensuite du gaz pour créer une atmosphère étendue. Ce processus doit également se dérouler relativement rapidement, avant que la jeune étoile ne fasse exploser les restes du disque.
Les modèles suggèrent également qu’une minuscule étoile naine rouge ne devrait pas avoir assez de matière dans son disque pour que ce processus se produise dans les délais requis.
Représentation artistique de la taille relative d’une exoplanète de la taille de Jupiter orbitant autour de TOI-5205b (à gauche), comparée à Jupiter et au Soleil. (Katherine Cain/ Carnegie Institution for Science)
Selon Kanodia :
L’existence de TOI-5205b élargit ce que nous savons des disques dans lesquels ces planètes sont nées.
Au début, s’il n’y a pas assez de matière rocheuse dans le disque pour former le noyau initial, alors on ne peut pas former une planète géante gazeuse. Et à la fin, si le disque s’évapore avant que le noyau massif ne soit formé, alors on ne peut pas former de planète géante gazeuse. Et pourtant, TOI-5205b s’est formée malgré ces garde-fous. Sur la base de notre compréhension nominale actuelle de la formation des planètes, TOI-5205b ne devrait pas exister ; c’est une planète ‘interdite’.
L’exoplanète a été découverte grâce aux transits, c’est-à-dire lorsqu’un monde en orbite passe entre nous et son étoile hôte. Ce passage atténue la lumière de l’étoile. Si la luminosité intrinsèque de l’étoile est connue, les astronomes peuvent calculer la taille de l’exoplanète. L’interaction gravitationnelle entre l’étoile et l’exoplanète fait également « vaciller » légèrement l’étoile sur place, et la mesure de cette vacillation permet aux astronomes de calculer la masse de l’exoplanète.
Le transit, une méthode de détection des planètes lorsqu’elles passent devant leur étoile, en diminuant la luminosité de cette dernière. (NASA)
Sur la base de ces observations, Kanodia et son équipe ont découvert que l’exoplanète a une masse 1,08 fois supérieure à celle de Jupiter et un rayon 1,03 fois supérieur. Elle représente 27,2 % du rayon de l’étoile, qui a respectivement 39,4 et 39,2 % de la masse et du rayon du Soleil.
Cela semble extrême, mais, plus fascinant encore, TOI-5205b n’est pas seul. Une étude récemment publiée détaille la découverte de TOI-3235b, une exoplanète d’une masse 0,665 fois supérieure et d’un rayon 1,07 fois supérieur à ceux de Jupiter, orbitant autour d’une naine rouge d’une masse 0,394 fois supérieure et d’un rayon 0,37 fois supérieur à ceux du Soleil, avec une période de 2,6 jours.
Et en 2021, les astronomes ont annoncé la découverte de TOI-519b, une géante gazeuse ayant jusqu’à 14 fois la masse et 1,07 fois le rayon de Jupiter, en orbite autour d’une naine rouge ayant 0,37 fois la masse et le rayon du Soleil, avec une période de 1,27 jour.
Ces exoplanètes peuvent donc exister, bien que rarement. Il appartiendra à de futurs travaux de comprendre comment. Heureusement, les transits de ces exoplanètes peuvent aider.
La lumière de l’étoile change lorsqu’elle traverse l’atmosphère de l’exoplanète. Avec un puissant télescope infrarouge comme le télescope spatial James Webb, ces changements peuvent être examinés dans les moindres détails afin de déterminer de quoi sont faites ces atmosphères.
Peut-être contiendront-elles aussi des indices menant à la résolution de ce fascinant mystère.
L’étude publiée dans The Astronomical Journal : TOI-5205b: A Short-period Jovian Planet Transiting a Mid-M Dwarf et présentée sur le site de la Carnegie Institution for Science : “Forbidden” planet orbiting small star challenges gas giant formation theories.
